薄基岩下开采的水文地质与工程地质特征研究

张 丽，许昕鹏，王 龙

(江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225002)

0 引 言

煤炭依然是当前工业生产中所使用的最主要的能源物质，随着工业的发展对能源的需求日益提高，因此要不断提高煤矿的生产效率。影响煤矿生产效率的因素有很多，最为重要的还是水文地质情况和工程地质情况，因此在正式开采之前要详细地掌握这两项因素，这样才能够更好地保证开采的顺利。

1 薄基岩水文地质特征

1.1 薄基岩风化带岩石的含水性

煤矿在进行开采之前要对其水文地质进行研究，由于整个矿场所包含的岩石种类比较多，受到外界影响的程度也不同，在开采的时候也需要按照不同的方式来进行。例如，有部分的矿区主要是以泥岩、花斑泥岩、砂质泥岩及粉砂岩为主。这些岩石成分在矿场当中遭受过长期的风化作用，范围广，风化深度大，风化带厚度为20～40 m。这是老的岩石界面，而新的岩石界面还没有进行沉积，这样就会在开采的时候带来一定的影响。此外，有很多基岩面受过强烈的流水冲刷、剥蚀作用，导致岩石层面的风化程度加大。但是对于整个矿场而言，大部分的基岩面都是没有受到更大程度的影响的，这些岩石层面的风化残积物和风化壳得以相对完整地保留，而这些完整保留的岩石就会形成风化软岩，这样在进行开采的时候也会更加的方便。风化软岩比较容易发生塑性形变，不容易发生脆性形变，在遇到强大的力量的时候就比较容易出现软化、膨胀等现象。这就是矿场工程地质的主要特点，而这一点是比较有利于抑制煤层开采破坏裂隙在整个岩石层中的产生和发展的。

而当矿场当中的岩石经历风化之后，其岩石的基本形貌等也还会发生变化，大部分的岩石经历风化之后，岩性就会变化，而且这些风化之后的岩石主要由褐红色、土黄色和浅绿色泥岩、砂质泥岩及粉砂岩组成。在风化的过程当中，岩石当中会形成一定的风化带，而这样形貌的岩石，风化带厚度一般都不是很高，并且还会形成强风化带，它们的厚度也会逐渐降低。对于风化之后的岩石，除了会产生风化带之外，还会产生泥质化，也就是说这一类的岩石对于水有一层隔膜。岩石本身不含水分，并且也不会导水，有一层比较好的隔水层。这样的情况在进行开采时会遇到一定的问题，如果说在不了解这些情况下就直接对矿场进行开采，那么就会对矿场造成很大的影响。

1.2 浅部煤层顶板富水性

矿场当中还存在二叠系煤岩层，在二叠系煤岩层当中，局部地方会存在比较厚的砂岩，这些砂岩会组成砂岩裂隙含水层，在进行开采时会对开采的进度造成一定的影响。同时，煤系地层的富水性主要受砂岩裂隙的发育程度及其开裂、开展的规模所影响，而且矿场中的砂岩裂隙还会受到矿场的构造影响。每个矿场的地形地貌等都是存在一定的差异的，所以在产生裂隙的时候，还会形成不同种类的裂隙，这些裂隙之间最大的差别就是含水量。如果裂隙的含水量高，那么会对煤矿的开采产生较大的影响。裂隙的含水量还会对井田的产生造成影响。

矿区进行开采时还会受到构造挤压，煤矿系顶板砂岩裂隙发育比较缓慢，而且在发育的过程当中还会受到新生界底部隔水层的阻挡，这时煤系砂岩裂隙水以静储量形式存在。在对煤矿进行开采的过程当中，需要用到一定的水，而煤矿的水源主要是砂岩裂隙水。但是随着时间的推延，砂岩裂隙水的出水量会逐渐减少，这会对矿井的生产造成严重的危害。不过，在局部上，处于富水区的矿井的采掘活动还是不会出现较大的问题的。

2 薄基岩工程地质特征研究

在对煤矿场进行开采的过程当中，其实会出现下降风巷、上风巷等多处出水现象，所出的水一部分来自砂岩裂隙水，随着时间的推延会逐渐衰减，这表明顶板砂岩裂隙水以静储量的形式存在。而且有些煤矿的顶部还有炭质页岩或炭质泥岩，其形状主要呈现为透镜状，但是这种情况一般都有一定的变化规律，而且其裂缝还会再一次进行发育。

在进行煤矿开采的时候，首先就是要保证其顶部是完整的，这样才能够保证开采人员的生命安全，所以对于煤层底板条件的研究是现在岩石工程地质研究的主要内容。煤层顶板岩石性质和类型是确定巷道支护密度、支护形式、液压支架选型和顶板管理的重要依据，因为在进行开采的过程当中顶部和底板是非常重要的，煤层顶部主要影响岩石开采的顺利程度，煤层底板岩石强度直接影响支架的支护性能。因此在正式开采之前需要先了解不同地区的主采煤层顶、底板特点，研究其岩石的物理力学性质，这点是非常重要的。在岩石强度方面，岩性不同，强度差别较大，其中泥岩、粉砂岩类的强度比较低，砂岩类强度比高风化带3强度低，非风化带岩性强度相对较高。除了要对他们的强度有一定的研究之外还需要对他们的抗拉轻度、抗剪强度以及弹性模量等参数进行测试，而最终的测试结果，同样显示出不同岩性的风化产物，其物理力学性质表现出风化泥岩类力学强度最低、粉砂岩类其次、砂岩类相对较高的特征。

2.1 风化带岩石的力学性质

根据具体的勘探结果可知，不同地区的矿区的岩石中以风化泥岩、风化粉砂岩为最多，尤其是在薄基岩地质下最为明显。在外地探查时，对岩石的物理力学指数计算可知，风化泥岩的抗压强度为0.8～16 MPa，但风化粉砂岩力学性能往往更好，更有利于后续的工程施工。进一步的勘查可知矿区内部的风化粉砂岩的内部凝聚力在5.05～7.78 MPa，内部摩擦力中的摩擦角为32°，弹性模量在1.03～2.81 GPa，而风化泥岩内聚力在1.21～6.34 MPa，弹性模量为0.35～0.60 GPa，泊松比为0.34～0.50。经过全面的勘探可知，风化泥岩的弹性形变量更弱，因此风化泥岩本身的变形问题的发生概率是比较大的。加之会受到多种类别的作用影响，风化泥岩的膨胀概率大，很容易降低防水煤柱。只有结合对应的勘查结果，保证矿区通过补孔的模式提升工程施工的稳定性以及安全性。

2.2 煤层顶板的力学性质

不同地区的煤矿矿区的煤层本身存在着伪顶岩性，其本身只是以砂质泥岩为主体。通过物理力学指标的合理计算，可知道岩石的抗压强度与胶结物之间有着一定的联系性。通过有效计算可知，区域内部的抗压强度与矿区自身的情况有密切联系，此时需要根据矿区的特征进行计算，得出结果。比对不同区域的岩石抗压强度，重点是增强矿产资源开采过程中的安全性，只有这样才能够利用矿区的优势进行资源开采，使工程开采效率以及安全性达标，规避潜在的风险，保证各项工作一一落地。

3 薄基岩下开采的水文地质与工程地质勘查分析

3.1 地下水位变化导致的危害

若是某地区的地下水位出现变化，其一般包括三个层面的内容，即为地下水位的小幅度下降、地下水位的小幅度上升以及地下水位的变化。地下水位上升一般是受到外在因素的影响，其很容易导致建筑物的表面湿润。例如，大连地铁中频频出现的渗水情况，直接影响了施工建筑物的耐久性。地下水位下降则会导致地质灾害频发，对施工建筑物有非常不利的影响。地下水位频频出现变化，会导致建筑物的地基基础出现形变，甚至导致建筑物形变或者损毁，这会给予建筑物使用增添一些安全隐患，致使后续工作无法一一开展。

3.2 动水压力变化导致的工程危害

在自然条件下，地下水的动水压力变动很小，并不会对工程建筑或者其他岩石造成任何影响，但一旦人为介入直接改变地下水位的平衡点，那么会直接导致地下水动水压力出现明显波动，致使岩土层结构出现意外影响，甚至会衍生出流砂、管涌和地基塌陷等意外情况，致使出现岩土工程危害，会对周边区域的建筑物造成十分负面的影响，致使建筑物质量意外情况屡屡出现。因此，加大对地下水的动水压力的综合检测以及控制是十分重要的，要尽量避免由于动水压力本身存在的不稳定性致使建筑物出现意外情况。

3.3 地下水位变化对岩土的危害

地下水位的经常出现变化会在一定基础上引起岩土结构的膨胀，致使其出现不均匀情况而出现多种状态下的地质形变情况，严重的时候甚至还会出现地裂情况，对于建筑物的底层甚至是整个建筑物造成更大的影响或者是危害。而在水文地质勘查过程中，更需要对膨胀性岩土进行勘查和控制，将其作为特殊的岩土结构，重点勘查地下水位幅度变化方面上，合理掌握地下水位的变化规律，只有这样才能够合理分析地基的深度。

4 薄基岩下开采的水文地质与工程地质勘查

4.1 工程勘查水文地质参数测定

在工程的勘查过程中，必须要加强对水文地质的参数进行综合测定，尤其是对地下水位进行重点勘查。一旦施工中发现含有水底层结构，那么需要对新发现的地下水位进行综合测定，做到一一跟踪。在地下水位测定中，需要明确地下水的参数的稳定性和可靠性。应用抽水试验法中，必定要根据工程施工范围以及施工条件进行有效操作。精确掌握地下水位的参数，对其基本情况做出分析，以保证水文地质勘查结果的精确性，为后续工作提供资料。

4.2 增强基础条件的了解

通过与相关单位进行合作，应用先进的技术开展工作面的水文条件、地质条件、围岩性质等的综合分析，根据顶板风化情况及顶板压力确定防砂结构，明确岩石层的赋存条件及富水性。加强对煤矿矿井结构的观测分析，综合做好资料收集，将采集到的数据资料进行比对，根据实际揭露情况调整安全煤岩柱的尺寸。而在薄基岩开采中，必须要强化工作面的质量标准管理工作，防止由于局部顶板软弱松脆而出现意外情况。只有强化水文动态观测，才能够构建起煤矿水文动态观测及报警体系，综合分析水文参数。除此以外，更需要做好工作面排水情况，加大排水力度，构造合理的自流排水体系，避免由于出水恶化而影响到最终的工作环境，从而影响工作的开展。

5 结束语

当前，煤炭依然是我国的主要能源和重要原料，在一次能源生产和消费构成中仍占据一半以上，所以现在仍有必要对煤矿场的情况进行详细分析，尤其是对于关乎煤矿安全生产的有关制度、设备等进行改进完善。首先，要对煤矿场的顶部和底板进行勘查分析，因为这会涉及相关人员的安全问题；其次，要对整个矿石的风化程度进行勘查分析，如果其风化程度会影响到开采，那么就需要制定好相应的方案。